高效率上/下转换核-壳纳米晶的制备及在光伏发电中的应用

Solar cell has garnered a tremendous amount of attention in the field of energy, since it is a key component of photovoltaic power generation, and it can convert directly the sunlight into electric energy. However, due to the limitation of band gap in semiconductor material, solar cells absorb only the visible sunlight, and the photoelectric efficiency is reduced largely. A series of core-shell nanocrystals with the efficient up/down-conversion is prepared. Rare-earth ion can convert the ultraviolet and near infrared sunlight into the visible light absorbed by solar cell through upconversion and downconversion methods. The core-shell structure is used to prepare the optical-optical converter in the full spectrum. The behavior that one or more nanocrystals doped with the different rare-earth ions are loaded on a up/down-conversion nanocrystal in core could result in the combination of up-converter and down-converter. Highly efficient up/down-conversion could be obtained through the energy transition processes between rare-earth ions. Up/down-conversion core-shell nanocrystals will increase the photoelectric efficiency of solar cell and make the structure simple. TEM,SEM and steady state emission spectrum are used to characterize the pattern of samples and understand the effect of small size and surface on the optical properties. The internal/external quantum efficiencies of solar cell with up/down-conversion core-shell nanocrystal are measured.

太阳能电池是光伏发电的关键元件，可将太阳光能直接转换为电能，是能源领域中的研究热点。由于半导体材料能隙的限制，太阳能电池只能吸收可见太阳光，大大地降低了光-电转换效率。本项目拟制备一系列高效率上/下转换核-壳纳米晶。利用稀土离子的上/下转换技术将紫外光和近红外太阳光转换为可被吸收的可见光。采用核-壳结构，在核层上/下转换纳米晶表面包覆一层或多层不同稀土离子掺杂的纳米晶，将上转换和下转换发光层结合于一体，制备全光光谱光-光转换层。通过不同壳层间稀土离子的能量传递过程获得高效率的上/下转换发光。上/下转换核-壳纳米晶应用于太阳能电池中将提高电池的光-电转换效率并简化电池结构。利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜和稳态发射光谱等对样品进行形貌表征，分析小尺寸和表面效应对光学性能的影响。测试具有上/下转换核-壳纳米晶的太阳能电池的内/外量子效率。

为解决全球日益严峻的能源和环境问题，开发和利用太阳能已成为全世界所共同关注的焦点之一。然而，由于半导体材料自身能隙的限制，短波长紫外光和长波长近红外光不能被太阳能电池吸收和利用，限制了太阳能电池的光电转换效率。因此，本项目制备了稀土离子掺杂铌酸锂（LiNbO3）和七铝酸十二钙（12CaO·7Al2O3，C12A7）材料。利用稀土离子上/下转换技术将紫外光和近红外光转换为可被吸收的可见光，实现了上/下转换技术结合于一体，通过扩展太阳能电池的光谱响应范围来提高电池的光电转换效率，并简化电池结构。.在本项目经费支持下，制备了稀土离子掺杂LiNbO3（RE: LiNbO3），有效的将稀土离子的光学性能和LiNbO3的非线性光学结合在一起。研究了800nm/980nm/1550nm激光下，Er:LiNbO3、Er/Yb:LiNbO3和In/Er/Yb:LiNbO3的上/下转换荧光光谱、功率曲线、荧光寿命及In3+离子对稀土离子光学性能的影响；利用紫外吸收边移动和红外光谱等分析稀土离子在LiNbO3晶格中的占位情况；在Er/Eu:LiNbO3中实现了同时将980nm/1550nm近红外光和紫外光转换为可见光，分析了Er3+和Eu3+离子之间的能量传递关系。.稀土离子掺杂C12A7（RE:C12A7，RE=Er3+、Tm3+和Ho3+等），具有独特的笼状微结构，有利于容纳大量的稀土离子掺杂，提高了稀土离子的光学性能。利用XRD和SEM分析RE:C12A7材料的结构和微观形貌。上转换荧光光谱表明，RE:C12A7将980nm/1550nm波段激光转换为可见光，Yb3+离子作为敏化离子，可以有效提高980nm光转换效率，分析了样品的上转换机制及计算了CIE值。制备了Er/Eu:LiNbO3@TiO2核壳结构材料，分析了其XRD和SEM图谱，并尝试性的将其应用于太阳能电池中。RE:C12A7的成功制备将同时利用稀土离子上/下转换技术将紫外光和近红外光转换为可见光，提高电池光电转换效率，并取代昂贵的氧化铟锡，降低电池的制备成本。本项目的研究具有前沿科学研究的意义，它的成功完成将会推动新一代太阳能电池的实用化进程，为太阳能电池的完善和应用提供新思路和新方法。